滑動螺旋自鎖緊結(jié)構(gòu)在定尺機上的應(yīng)用

王 莉

(山東鋼鐵股份萊鋼棒材廠，山東271200)

Keywords：Sliding spiral structure; self-locking structure; sizing machine

萊鋼棒材廠小型車間是一條熱軋帶肋鋼筋和礦用樹脂錨桿鋼筋為主要產(chǎn)品的棒材生產(chǎn)線，在生產(chǎn)過程中，需要隨時將成品倍尺鋼材剪切成市場所需的不同長度的定尺鋼材，這就要求定尺機定尺精度高，調(diào)節(jié)方便，運行穩(wěn)定可靠。

為滿足生產(chǎn)現(xiàn)場的實際需求，車間根據(jù)滑動螺旋結(jié)構(gòu)緊湊、轉(zhuǎn)動平穩(wěn)、傳動精度高、軸向載荷大及具備自鎖緊功能的特點，結(jié)合氣動自動控制技術(shù)，研發(fā)了一款結(jié)構(gòu)簡單、操作維護(hù)方便的“滑動螺旋自鎖緊定尺機”。

1 結(jié)構(gòu)簡介

滑動螺旋自鎖緊定尺機總裝結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

滑動螺旋自鎖緊定尺機采用2.1 kW電機做動力源，由i=48.57減速機拖動滑動螺旋機構(gòu)螺桿旋轉(zhuǎn)，來驅(qū)動進(jìn)給工作臺做往復(fù)軸向直線進(jìn)給運動。定尺擋板安裝在進(jìn)給工作臺上，由氣缸帶動配合剪切機的定尺剪切動作。

進(jìn)給工作臺采用了滑動螺旋傳動機構(gòu)，將動力源的徑向回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)檩S向往復(fù)直線運動，推動進(jìn)給工作臺的軸向位移，以調(diào)換不同規(guī)格的擋板定尺。自動升降活動擋板由氣動系統(tǒng)驅(qū)動，在進(jìn)給工作臺上做徑向垂直升降運動，使下卸鋼輸送輥道上的倍尺材剪切定位，在剪切完后，將定尺材輸送到后整理收集平臺。運動結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示。

1—氣缸 2—升降活動擋板 3—進(jìn)給工作臺 4—滑動螺旋螺母 5—滑動螺旋絲杠 6—徑向剖分式滑動軸承座 7—滑軌 8—導(dǎo)向輪 9—輸送輥道

1—滑軌 2—導(dǎo)向輪 3—滑動螺旋絲杠 4—滑動螺旋螺母 5—滑動軸承座 6—減速機(JZQ350-48.57) 7—電機(JG2D251-10-2.1 kW)

剪切后的成排鋼筋需要從定尺輥道平移到收集平臺上，定尺機還必須采用懸臂式結(jié)構(gòu)縱向跨越平托輸送輥道。

2 系統(tǒng)設(shè)計

采用滑動螺旋傳動方案設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)且噪音小、旋合精度高、傳動比大，螺旋每旋轉(zhuǎn)一周螺母前進(jìn)一個導(dǎo)程，因此電機采用較小的功率扭矩，便可以使執(zhí)行機構(gòu)得到很大的軸向推力，特別是當(dāng)螺旋副設(shè)計的螺旋線螺紋升角小于當(dāng)量摩擦角時，容易實現(xiàn)機構(gòu)的“自鎖緊”，尤其適用于定尺機，既要求機構(gòu)精準(zhǔn)定位，又承受大軸向水平?jīng)_擊載荷的工況。

考慮滑動螺旋副傳動的效率，結(jié)合生產(chǎn)現(xiàn)場的實際工況，在螺旋副牙型設(shè)計上我們采用30°牙型角梯形螺紋。這種螺紋可承受雙軸向載荷，牙底強度高，螺紋對中性好，不易晃動，磨損后間隙可以得到適當(dāng)補償，特別是其牙型設(shè)計基本已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，具備良好的機械加工工藝性能，容易保證螺旋副的加工制造精度。梯形螺紋牙型尺寸參見GB/T 5796.3—2005《梯型螺紋 第3部分 基本尺寸》。梯形螺紋的缺點是滑動螺旋傳動效率較低，摩擦阻力大，容易磨損，由于更換定尺時為間歇的非工作狀態(tài)，進(jìn)給工作臺響應(yīng)時間短，軸向位移相對較小，原動機動力源輸出功率小(功率為2.1 kW)，轉(zhuǎn)速低，傳動絲杠只做雙向間歇轉(zhuǎn)動，因此使用滑動螺旋機構(gòu)完全可以滿足生產(chǎn)現(xiàn)場實際工況。

3 滑動螺旋機構(gòu)參數(shù)選擇及校核

3.1 最大沖擊載荷計算

車間加工最大直徑為?22 mm的左旋錨桿鋼，冷床倍尺為45 m，下卸鋼一次性最多可卸24根倍尺材，因此下卸鋼輸送輥道所輸送的鋼材最大質(zhì)量為：

3.14×(11×10-3)2×45×7.8×103×24=3200 kg

下卸鋼輸送輥道輥身直徑為?250 mm，所配B型皮帶輪節(jié)圓直徑為?210 mm，輥道電機轉(zhuǎn)速為550 rpm，電機所配皮帶輪節(jié)圓直徑為?126 mm，輥道機構(gòu)傳動速比為210/126=1.66，輥道轉(zhuǎn)速為550/1.66=330 rpm，因此下卸鋼輥道輥身線速度(即倍尺材在輸送輥道中線速度)為：

3.14×330×250÷(60×1000)=4.3 m/s

定尺機在工作狀態(tài)下，活動擋板在重力作用下向下回落，與輸送輥道接觸，隔斷床面倍尺材的輸出通道，質(zhì)量為3200 kg的鋼材以4.3 m/s的初速度撞擊輸送輥道上的活動擋板，配合冷剪進(jìn)行定尺剪切。撞擊作用的時間很短，鋼材在0.01 s時間內(nèi)速度由4.3 m/s降為0，由動量定理可知，作用在定尺機上的沖擊載荷為：

F=(Pt-P0)/t=-1376 kN

3.2 螺桿的抗壓穩(wěn)定性校核

長徑比大的受壓螺桿在承受大軸向力時容易失穩(wěn)，應(yīng)根據(jù)材料力學(xué)的穩(wěn)定性公式校核，

Fc/F≥[S]=2.5～4

式中，F(xiàn)c為螺桿的臨界載荷，F(xiàn)為作用于螺桿上的軸向載荷，[S]為螺桿穩(wěn)定性安全系數(shù)。通過動量定理計算，最大軸向載荷為1376 kN。

傳動絲杠采用滑動軸承兩端固定的結(jié)構(gòu)形式，由機械標(biāo)準(zhǔn)查得受壓螺桿的長度系數(shù)為μ=0.5，螺桿危險斷面慣性半徑為i=d1/4=35.5 mm，受壓螺桿的計算長度取進(jìn)給工作臺螺母最短極限定尺位置時螺母寬度中心線到螺桿最大行程位置的距離5390-268/2=5256 mm。

由以上參數(shù)可知受壓螺桿的柔度為：

λ=μl/i=0.5×5256/35.5=74

對淬火鋼，λ<85時，螺桿的臨界載荷為：

實際螺桿穩(wěn)定性安全系數(shù)[S]=Fc/F=3701.834/1376=2.69>2.5，符合螺桿穩(wěn)定性要求，該螺旋機構(gòu)具備可靠的抗壓穩(wěn)定性能。

3.3 螺母牙型的強度校核

對于傳力螺旋，由于螺母材質(zhì)的強度小于螺桿，因此只對螺母的牙型進(jìn)行剪切強度及彎曲強度的校核。

對于青銅材質(zhì)，許用剪切強度[τ]=40 MPa，許用彎曲強度[σ]b=60 MPa，梯形螺紋牙根寬度b=0.65P=0.65×16=10.4 mm，螺母厚度H=268 mm，螺紋的旋合圈數(shù)為Z=H/P=268/16=16，外螺紋大徑d=160 mm，中徑d2=152 mm。

剪切強度校核為：

τ<[τ]符合剪切強度要求。

彎曲強度校核為：

σb<[σ]b符合彎曲強度要求。

3.4 螺旋副自鎖能力校核

在工作狀態(tài)下，滑動螺旋定尺機要承受1376 kN的軸向沖擊載荷，防止活動擋板在沖擊載荷作用下滑移而影響定尺精度，要求對螺旋副的自鎖性進(jìn)行校核。有自鎖能力要求的滑動螺旋副必須滿足螺旋線螺紋升角小于等于當(dāng)量摩擦角，在實際設(shè)計過程中，為確保螺旋自鎖的可靠性，取ψ≤ρ-1°。

定尺機螺旋副設(shè)計使用的是梯形螺紋，Tr160×16，外螺紋大徑d=160 mm，中徑d2=152 mm，小徑d1=142 mm，螺距p=16 mm，導(dǎo)程s=pn=16×1=16 mm(采用單頭螺旋線設(shè)計)，牙型角α=30°，淬火鋼螺桿與青銅螺母配合的摩擦系數(shù)取f=0.08。由以上設(shè)計數(shù)據(jù)可知：

螺旋線的螺紋升角為：

螺旋線的當(dāng)量摩擦角為：

由于1.92°≤4.73°-1°=3.73°，螺旋線的螺紋升角小于當(dāng)量摩擦角，所以該螺旋機構(gòu)具備可靠的自鎖性能。

3.5 進(jìn)給工作臺抗彎剛度校核

進(jìn)給工作臺是機構(gòu)的主要承力構(gòu)件，實際工作中作用在升降活動擋板上的沖擊載荷F=1376 kN，沖擊載荷經(jīng)傳遞后全部作用在“懸臂進(jìn)給工作臺”上，工作臺的撓曲變形對定尺機的定尺精度會產(chǎn)生一定影響，因此需要對進(jìn)給工作臺進(jìn)行抗彎剛度校核。進(jìn)給工作臺是采用δ=20 mm的Q235碳素結(jié)構(gòu)鋼拼焊而成的(橫截面為270 mm×190 mm×20 mm)箱梁型懸臂構(gòu)件，借助計算機CAD制圖軟件橫截面對中性軸的慣性矩Iz=89 640 014.7 mm4，碳鋼的彈性模量E=200～220 GPa之間，取E=210 GPa(E=210×103MPa)，則構(gòu)件的截面抗彎剛度為：

EI=210×103×89 640 014.7=1.88×1013

建立力學(xué)模型，將系統(tǒng)轉(zhuǎn)化成材料力學(xué)中簡支梁結(jié)構(gòu)，則進(jìn)給工作臺上的最大撓曲變形為：

在實際工作過程中要求成品材定尺剪切后的長度誤差在50 mm以內(nèi)，8 mm<50 mm，因此進(jìn)給工作臺的撓曲變形符合使用要求。

3.6 螺旋副配合公差的選用

國標(biāo)GB/T 5796.3—2005對梯形螺紋規(guī)定了中等與粗糙兩種精度等級，而且內(nèi)螺紋的各直徑都規(guī)定采用基本偏差即下偏差EI=0的H公差帶，為了控制機加工過程中螺紋牙型的累積誤差，在充分考慮到裝配及機加工工藝性的基礎(chǔ)上，我們對內(nèi)螺紋的中經(jīng)及頂徑選用高精度等級的7H公差帶，外螺紋中徑選用基本偏差即上偏差為負(fù)的8e公差帶，考慮到現(xiàn)場定尺機對螺旋副配合間隙誤差的敏感性及載荷分布的均勻性，在旋合長度選擇上我們采用了L=268 mm>265 mm的加長組，并選用優(yōu)選螺距16 mm。因此內(nèi)螺紋采用“Tr160×16-7H”，外螺紋采用“Tr160×16-8e-L”，螺紋副配合為 “Tr160×16-7H/8e”。

4 零件設(shè)計及制造

4.1 主傳動絲杠

進(jìn)給工作臺的主傳動絲杠做為傳力螺桿，是一種細(xì)長的桿狀零件，其長徑比較大，承受大沖擊載荷，極易出現(xiàn)受壓失穩(wěn)、撓曲變形的問題。考慮到螺桿的抗壓失穩(wěn)性，螺桿的總長設(shè)計不超過螺紋副公稱直徑的20～50倍。根據(jù)現(xiàn)場所需調(diào)整定尺長度，主傳動絲杠Tr160的螺紋長度設(shè)計為5390 mm，5390/160=33.6<50，符合GB/T 5796.3—2005機械設(shè)計要求。材質(zhì)選用屈服強度和抗拉強度較高的優(yōu)質(zhì)低碳合金鋼20CrMnTi，并采用滲碳淬火處理的熱處理工藝(45～50 HRC)，主傳動絲杠零件圖如圖3所示。

4.2 滑動螺旋螺母

由于滑動螺旋副存在較大的摩擦轉(zhuǎn)矩，螺紋副易出現(xiàn)過快磨損，因此對螺母材質(zhì)的力學(xué)性能及機加工工藝性能有一定的要求。為了抗膠合磨損，螺母不能與傳動絲杠選用相同的材質(zhì)，傳動絲杠選用優(yōu)質(zhì)低碳合金鋼20CrMnTi，螺母材質(zhì)必須摩擦系數(shù)低，減磨性和耐磨性好，同時具備一定的抗壓強度和疲勞強度。此定尺機的螺母采用鋁青銅ZCuAl10Fe3材質(zhì)。這種材質(zhì)摩擦系數(shù)低，減磨性好，耐磨性高，而且具有足夠的抗壓疲勞強度。由于其具備硬度低、彈性模量小的特點。因此其磨合性、順應(yīng)性較好，對零配件的安裝同軸度誤差及加工幾何形狀誤差不太敏感，尤其適宜于低速重載及偏載的使用工況。但在承受重沖擊變載荷時存在黏著傾向，因此對其配合的軸頸表面硬度、光潔度、機械加工精度要求較高，傳動絲杠必須進(jìn)行滲碳淬火處理(45～50 HRC)，螺母采用鋁青銅ZCuAl10Fe3，螺母零件圖如圖4所示。

圖3 主傳動絲杠零件圖Figure 3 Drawing of main drive screw

圖4 螺母零件圖Figure 4 Part drawing of nut

圖5 進(jìn)給工作臺Figure 5 Feed table

4.3 懸臂式進(jìn)給工作臺和導(dǎo)向輪

進(jìn)給工作臺采用δ=20 mm的Q235碳素結(jié)構(gòu)鋼拼焊成箱體結(jié)構(gòu)，懸臂布置。兩側(cè)承重板構(gòu)成的空腔放置滑動螺旋的螺母，并用螺栓與其雙側(cè)固定。進(jìn)給工作臺如圖5所示。為了降低進(jìn)給工作臺軸向位移調(diào)整時的摩擦阻力，提高設(shè)備的機械效率，防止工作臺隨著傳動絲杠的旋轉(zhuǎn)而轉(zhuǎn)動，同時改善由于懸臂布置引起的局部偏載、受力惡化的工況，在進(jìn)給工作臺的端部放置從動導(dǎo)向輪組，并與固定在地面的滑軌相接觸。

從動導(dǎo)向輪所起的主要作用是在定尺擋板的調(diào)整過程中把系統(tǒng)與地面的滑動摩擦轉(zhuǎn)化為滾動摩擦，降低傳動機構(gòu)的功率損耗，使調(diào)整機構(gòu)運轉(zhuǎn)靈活自如，縮短調(diào)整機構(gòu)的響應(yīng)時間，并分擔(dān)進(jìn)給工作臺與升降活動擋板作用在兩側(cè)滑動軸承及螺旋副內(nèi)部的部分重量，改善受力分布，降低傳動絲杠的撓性變形，導(dǎo)向輪裝配圖如圖6所示。

4.4 主傳動絲杠定位軸承座

主傳動絲杠定位軸承座采用滑動軸承結(jié)構(gòu)，這種設(shè)計軸向結(jié)構(gòu)緊湊，軸承承載力大，壽命長，旋轉(zhuǎn)精度高，適宜于低速重載工況。軸承座采用ZG45材質(zhì)，剖分面設(shè)計成臺階結(jié)構(gòu)，防止工作過程中軸承座及軸承蓋相互錯位，軸承磨損后可通過調(diào)整剖分面處的墊片調(diào)整軸承間隙，軸承座如圖7所示。

圖6 導(dǎo)向輪裝配圖Figure 6 Assembly drawing of guiding wheel

滑動軸承座的軸瓦采用剖分式軸瓦設(shè)計結(jié)構(gòu)，考慮到滑動軸承的磨合性、順應(yīng)性、嵌藏性，我們采用了低硬度、高塑性、小彈性模量的鉛青銅ZCuPb30，這種材質(zhì)硬度低，磨合性好，特別適宜于沖擊載荷及變載荷的工況，尤其是高溫時析出的鉛可以起到摩擦潤滑的作用。為了配合摩擦面充分潤滑，在上軸瓦頂部(軸孔配合的最大間隙處)鉆油孔，內(nèi)壁開徑向、周向潤滑油槽，下軸瓦底部油膜承載區(qū)配定位銷，上下軸瓦如圖8所示。

圖7 軸承座Figure 7 Bearing chock

軸承座與軸瓦裝配后，由定尺材撞擊所產(chǎn)生的沖擊載荷直接作用在升降活動擋板上，由擋板前側(cè)的承重板傳遞給進(jìn)給工作臺的螺母，再通過傳動絲杠的受力軸臺傳遞給軸承座，因此最終的軸向沖擊載荷全部作用于兩個軸承座上，軸承座絲杠裝配圖如圖9所示。

4.5 氣動系統(tǒng)設(shè)計

活動擋板的升降采用氣動控制，由上游的AC5000氣動三聯(lián)件提供凈化后的潔凈、干燥、穩(wěn)定的氣源，壓縮空氣經(jīng)三聯(lián)件的減壓閥后穩(wěn)定在0.5 MPa，對外輸出，執(zhí)行機構(gòu)采用24 V直流電控2位3通氣動電磁換向閥(K23JD-25)控制一臺單作用拉桿活塞缸。三通電磁換向閥只有P、T、A共3個外接口，單作用氣缸的無桿腔始終與電磁換向閥的工作A口相接。工作位時電磁線圈通電，換向閥的工作口A與氣源P口相通，氣缸獲得穩(wěn)定壓力，壓縮空氣向上升起，活動擋板打開，與輸送輥道分離，剪切后的成品定尺材通過定尺機由輸送輥道運送至驗貨臺進(jìn)行打捆、包裝。常態(tài)位時，電磁線圈失電，換向閥的工作口A與排氣腔T口相通，氣缸無桿腔內(nèi)的壓縮空氣排空，活動擋板在重力作用下向下回落，與輸送輥道接觸，隔斷床面倍尺材的輸出通道，并配合冷剪進(jìn)行定尺剪切。由于使用了三通閥，活動擋板的回程完全靠作用在氣缸上的自重，為了控制活動擋板下落的速度，避免因速度失控而引發(fā)的沖擊載荷，必須采用平衡回路控制，現(xiàn)場施工時在三通閥的T口加裝一個節(jié)流球閥作為回程腔背壓閥，通過主閥芯通流斷面的調(diào)整，使氣缸回程時，無桿腔產(chǎn)生0.25 MPa左右的背壓，減緩活動擋板的下落速度，避免作用在輥道上的沖擊載荷，氣動系統(tǒng)原理圖如圖10所示。

圖8 上下軸瓦Figure 8 Upper and lower axle bush

圖9 軸承座絲杠裝配圖Figure 9 Assembly drawing of bearing chock screw

圖10 氣動系統(tǒng)原理圖Figure 10 Schematic diagram of pneumatic system

5 結(jié)論

相對傳統(tǒng)定尺機，采用滑動螺旋傳動設(shè)計的定尺機，結(jié)構(gòu)簡單，體積小，運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，調(diào)整方便，能自鎖緊，定尺精度有保證，適合于空間緊張的現(xiàn)場使用，具有推廣價值。

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